大革命失败后，赵一曼按照党组织安排转移到上海。9月，被派往苏联莫斯科中山大学学习。1928年回国，在宜昌、南昌和上海等地进行党的秘密工作。
“九一八”事变后，被党组织派往东北地区发动和组织群众进行抗日斗争。1932年秋到哈尔滨，任满洲总工会秘书、组织部长、代理书记，曾参加领导1933年的哈尔滨电车工人大罢工。1934年，任中共珠河（今尚志）中心县委特派员、铁北区委书记，组织领导当地工人农民成立反日游击队，与日伪军进行斗争。
1935年11月，在与日军作战中，赵一曼为掩护部队腿部负伤后在昏迷中被俘。日军为了从赵一曼口中获取到有价值的情报，找了一名军医对其腿伤进行了简单治疗后，连夜对其进行了审讯。
在狱中，日本人动用酷刑，她没有吐露任何信息。赵一曼忍着伤痛怒斥日军侵略中国以来的各种的罪行。日军见赵一曼不肯屈服，使用马鞭狠戳其腿部伤口。身负重伤的赵一曼表现出了一个中国人保卫民族的决心，痛的几次昏了过去，仍坚贞不屈说：“我的目的，我的主义，我的信念，就是反满抗日。”没说出一字有关抗联的情况。
1935年12月13日，因赵一曼腿部伤势严重，生命垂危，日军为得到重要口供，将她送到哈尔滨市立医院进行监视治疗。赵一曼在住院期间，利用各种机会向看守她的警察董宪勋与女护士韩勇义进行反日爱国主义思想教育，受到教育的两人决定帮助赵一曼逃离日军魔掌。
1936年6月28日，董宪勋与韩勇义将赵一曼背出医院送上了事先雇来的小汽车，经过辗转后，赵一曼到了阿城县境内的金家窝棚董宪勋的叔叔家中。1936年6月30日，赵一曼在奔往抗日游击区的途中不幸被日军追上，再次落入日军的手里。赵一曼被带回哈尔滨后，日本军警对她进行了老虎凳、灌辣椒水，电刑等酷刑。但她始终坚贞不屈，没有吐露任何实情。日军知道从赵一曼的口中得不到有用的情报，决定把她送回珠河县处死“示众”。
1936年8月1日，日军将她押往珠河。8月2日，日军将其绑在大车上，在珠河县城“游街示众”。此时，赵一曼牺牲之前，面对敌人的屠刀，她高呼“打倒日本帝国主义”、“中国共产党万岁”的口号。当赵一曼昂首走到小北门外的草坪中央时，几个军警的枪口对准她。一个日军军官走到赵一曼跟前问：“你还有什么话要讲吗？”赵一曼怒视着，把手中的纸卷递过去说：“把这些话传给我家乡的儿子！”日军官看过字条，向军警们猛一挥手，罪恶的子弹射进赵一曼的躯体，牺牲于珠河县（今黑龙江省尚志县）小北门外，年仅31岁。
